Исследование эффективности коэнзима q10 (убихинона) при повреждении сердечной мышцы, вызванном изопротенолом

Автор публикации: профессор Капелько В.И., профессор Рууге Э.К.

Активные формы кислорода (АФК) играют важную роль как в адаптивных реакциях клеток на изменение условий среды, так и в развитии повреждений органов и тканей, отличающихся высоким уровнем аэробного метаболизма. Одним из таких органов является сердце, и его защита от повреждающего действия АФК представляет одну из актуальных задач современной кардиологии. Клетки сердечной мышцы способны бороться с избытком АФК благодаря наличию антиоксидантной системы, центральное место в которой принадлежит коэнзиму Q10 (убихинону), содержание которого в миокарде значительно выше, чем во всех остальных органах. Данная работа посвящена проверке гипотезы, согласно которой вероятное повышение функциональной мощности антиоксидантной системы кардиомиоцитов при увеличенном поступлении убихинона в организм может предотвратить повреждения миокарда, связанные с избыточным образованием АФК вследствие передозировки катехоламинов. Данная ситуация нередко возникает в организме при стрессах.

С этой целью был использован синтетический катехоламин - изопротеренол, который вводили за сутки до опыта в умеренно высокой дозе (10 мг/кг) крысам линии Wistar. Одна группа крыс находилась на обычном рационе, а другая группа, помимо этого, получала с водой гидрофильную форму убихинона (препарат Кудесан, АКВИОН, Москва). Опыты на животных были начаты через 8 недель с начала добавления Кудесана к рациону и продолжались в течение 3 недель. Прием Кудесана не повлиял на прирост веса животных, относительный вес сердца и сократительную функцию изолированного сердца.

Введение изопротеренола крысам контрольной группы сопровождалось ухудшением растяжимости миокарда и снижением максимального уровня сократительной функции сердца. Эти изменения отсутствовали в опытах на сердцах крыс, находившихся на рационе с добавлением Кудесана, и максимальный уровень сократительной функции был таким же, как и без введения изопротеренола. Под воздействием изопротеренола существенно изменялась ультраструктура клеток сердечной мышцы в контрольной группе - развивался отек, снижалось содержание гликогена, наблюдалось частичное разрушение структуры митохондрий - основных знергообразующих структур клеток. В миокарде животных, потреблявших Кудесан, отека не было, и структура митохондрий не повреждалась. Изолированные митохондрии в этой группе отличались лучшими функциональными характеристиками, а также достоверно меньшей скоростью образования АФК по сравнению с контрольной группой.

Таким образом, длительное потребление Кудесана крысами предотвращало структурные, метаболические и функциональные нарушения сердца, вызванные предварительным введением повышенной дозы катехоламина. Это позволяет полагать, что длительное повышение уровня потребления Кудесана может быть полезным для предотвращения стрессорных повреждений миокарда.

Руководители проекта: профессор В.И. Капелько, профессор Э.К. Рууге

Развернутый отчет о научно-исследовательской работе по договору № 01-02/НИР от 28 января 2002 г. по теме "Исследование эффективности коэнэима Q10 (убихинона) при повреждении сердечной мышцы, вызванном изопротеренолом»

Резюме. Крысы получали гидрофильную форму убихинона (Кудесан) в течение 8-11 недель. Опыты, проведенные на изолированном сердце и изолированных митохондриях, показали, что длительное потребление Кудесана предотвращало повреждение структуры и снижение функции, вызванные синтетическим катехоламином - изопротеренолом. Поскольку повреждающее действие изопротеренола реализуется посредством увеличенной генерации активных форм кислорода, полученный результат позволяет предполагать, что миокард животных, потреблявших Кудесан, отличается повышенной мощностью антиоксидантной системы.

Активные формы кислорода (АФК) играют важную роль как в адаптивных реакциях клеток на изменение условий среды, так и в развитии повреждений органов и тканей, отличающихся высоким уровнем аэробного метаболизма. Одним из таких органов является сердце, и защита миокарда от повреждающего действия АФК представляет одну из актуальных задач современной кардиологии. Клетки сердечной мышцы способны бороться с избытком АФК благодаря наличию антиоксидантной системы, центральное место в которой принадлежит коэнзиму Q10 (убихинону); его содержание в миокарде значительно выше, чем во всех остальных органах.

Данная работа посвящена проверке гипотезы, согласно которой повышение функциональной мощности антиоксидантной системы кардиомиоцитов посредством увеличенного поступления убихинона в организм может предотвратить повреждения миокарда, связанные с избыточным образованием АФК вследствие передозировки катехоламинов. Данная ситуация нередко возникает в организме при стрессах. С этой целью был использован синтетический катехоламин - изопротеренол, который активирует одновременно альфа- и бета-адренорецепторы. Изопротеренол вводили за сутки до опыта в дозе 10 мг/кг крысам-самцам линии Wistar (возраст 10-11 месяцев), половина из которых находилась на обычном рационе с добавлением творога (20 г/сутки) и моркови, а другая половина помимо этого получала с водой гидрофильную форму убихинона (препарат Кудесан, АКВИОН, Москва). Суточное потребление Кудесана составляло около 10 мг/кг.

Опыты на животных были начаты через 8 недель с начала добавления Кудесана к рациону и продолжались в течение 3 недель. В опытах на изолированном сердце определяли максимальный уровень сократительной функции, а после завершения опыта миокард левого желудочка брали для исследования ультраструктуры и выделения изолированных митохондрий, на которых изучали поглощение кислорода и генерацию АФК.

Сократительная функция. Изолированное сердце перфузировали через аорту, а в левый желудочек (ЛЖ) вводили латексный баллончик постоянного объема, что позволяло судить о силе сокращений миокарда по величине развиваемого давления в баллончике. Посредством увеличения скорости перфузии оценивали способность сердца повышать интенсивность своей сократительной функции (ИСФ). Её показателем было произведение развиваемого давления и частоты сокращений, эта величина прямо определяет скорость потребления кислорода миокардом. Прием Кудесана не повлиял на прирост веса животных, и относительный вес сердца в этих группах был примерно одинаков (0,49-0,55%). Также примерно одинаковыми оказались и параметры сократительной функции сердца (таблица 1).

Таблица 1 Показатели сократительной функции сердца в начале опыта (М+m)

Группы

Показатели

Контроль

Контроль + Изопротеренол

Кудесан

Кудесан + Изопротеренол

Количество крыс

13

12

6

13

ИСФ (мм рт.ст./с)

587 ± 14

583 ± 21

544 ± 14

521 ± 23

Частота сокращений (Гц)

3,5 ± 0,11

4,0 ± 0,14*

3,5 ± 0,22

3,8 ± 0,13

Развиваемое давление в ЛЖ (мм рт.ст.)

166 ± 6

153 ± 4

161 ± 8

141 ± 5

Конечное диастолическое давление в ЛЖ (мм рт.ст.)

13 ± 1,2

17 ± 1,5

13 ± 1,4

14 ± 1,4

Перфузионное давление (мм рт.ст.)

67 ± 1,8

70 ± 2,1

68 ± 1,9

60 ± 1,3*

Примечание: * - р < 0,05 по сравнению с соответствующей группой без введения изопротеренола.

Введение изопротеренола крысам контрольной группы, не получавшей Кудесан, оказало значительное воздействие - их вес снизился на 9%, а изолированные сердца сокращались с более высокой частотой, она достоверно возросла на 14%. Напротив, развиваемое давление было меньше, и поэтому показатель ИСФ не отличался от контрольной группы. Эффект изопротеренола на группу крыс, получавших Кудесан, был менее выражен, лишь перфузионное давление было достоверно снижено на 12%, что указывает на сниженный тонус коронарных артерий.

Изменения сократительной функции сердца, вызванные предварительным введением изопротеренола, выявлялись при ступенчатом увеличении скорости перфузии. При этом закономерно возрастало как развиваемое давление в ЛЖ, так и частота сокращений. В результате еще больше возрастал показатель ИСФ, величина которого в контрольных опытах наблюдалась при максимальной скорости потока и составляла 142±5% по сравнению с исходным уровнем. В опытах на сердцах крыс, получавших изопротеренол, она обычно была максимальной уже при умеренном повышении скорости потока, и максимальный прирост показателя ИСФ составил 24±5%. Разница между группами статистически достоверна (р<0,02).

Анализ изменений сократительной функции при повышении скорости потока показал, что прирост частоты сокращений в обеих группах был одинаков, и, следовательно, достоверная разница, наблюдавшаяся в начале опыта, полностью сохранялась при высокой скорости потока (рис.1). В то же время прирост развиваемого давления в группе получавших изопротеренол был ограничен (рис.2), и именно это послужило причиной меньшего прироста ИСФ. Одновременно наблюдался и более высокий прирост диастолического давления в ЛЖ (рис.3), свидетельствующий о пониженной растяжимости миокарда.

Таким образом, сердечная мышца крыс, получавших изопротеренол, характеризовалась ослаблением обычной инотропной реакции на естественный регуляторный стимул и наличием повышенной упругости или сниженной растяжимости миокарда.

Рис.1. Влияние скорости перфузии на частоту сокращений изолированного сердца крыс (М+m). Величины частоты в контрольной группе (квадраты), и с предварительным введением иэопротеренола (кружочки) достоверно отличаются при любой скорости потока. Ошибки средних величин в группах, получавших Кудесан с изопротеренолом и без него (треугольники вверх и вниз), не приведены ради упрощения рисунка.

Рис.2. Влияние скорости перфузии на развиваемое давление в левом желудочке изолированного сердца крыс (М±т). Обозначения как на рис.1.

Рис.3. Влияние скорости перфузии на конечное диастолическое давление в левом желудочке изолированного сердца крыс (М±т). Обозначения как на рис.1.

Эти изменения были гораздо менее выражены или отсутствовали в опытах на сердцах крыс, находившихся на рационе с добавлением Кудесана. Показатель ИСФ в этих опытах возрастал до той же величины, что и в контрольной группе - 142±6%, он был примерно таким же и в группе получавших изопротеренол - 138±4% (рис.4). Последняя величина достоверно выше по сравнению с контрольной группой, получавшей изопротеренол (р<0,02).

Рис.4. Максимальная величина показателя интенсивности сократительной функции (в процентах к исходным величинам) изолированного сердца крыс в разных группах.

Как показал анализ, и частота сокращений, и развиваемое давление возрастали при повышении скорости потока примерно так же, как и в контрольной группе (рис. 1-2), что и обеспечило существенное отличие от контрольной группы, получавшей изопротеренол. Динамика прироста конечного диастолического давления в группе получавших Кудесан также не отличалась достоверно от контрольной группы. В то же время величина перфузионного давления, сниженная в начале опыта в группе получавших иэопротеренол с добавлением Кудесана, оставалась достоверно сниженной по сравнению со своей контрольной группой при ускорении потока.

Таким образом, длительное потребление Кудесана сопровождалось предотвращением нарушений сократительной функции сердца, вызванных предварительным введением изопротеренола.

Ультраструктура миокарда. Введение в рацион крыс Кудесана мало повлияло на структуру сердечной мышцы. К числу характерных особенностей следует отнести плотную упаковку крист митохондрий. Введение изопротеренола контрольным животным сочеталось с развитием отека саркоплазмы и межклеточного пространства и расширением канальцев саркоплазматического ретикулума. По периферии ядер кардиомиоцитов можно было наблюдать скопление хроматина. Некоторые кардиомиоциты находились в состоянии пересокращения, количество гликогена было снижено. Наиболее выраженные изменения наблюдали в митохондриях: метрике их был просветлен, кристы деструктивно изменены, часть их была гомогенизирована

Введение изопротеренола животным, потреблявшим Кудесан, оказывало менее выраженный эффект по сравнению с контрольной группой. Миофибриллы и саркоплазматический ретикулум не были изменены. Сохранялось или было даже более выражено снижение гликогена в саркоплазме кардиомиоцитов. Митохондрии были увеличены в размерах, имели необычную угловатую форму, матрикс их был выраженно осмиофилен, в связи с чем плотнорасположенные кристы были плохо различимы на этом фоне. В перинуклеарной зоне можно было наблюдать хорошо развитый аппарат Гольджи, рибосомы, юные формы митохондрий.

Функции митохондрий. В конце некоторых опытов были выделены митохондрии, в которых определяли характеристики дыхания и генерацию АФК. Измеряли скорость потребления кислорода в состояниях дыхательной цепи 3 (в среде инкубации присутствуют как субстраты окисления, так и ADP) и 4 (в среде инкубации присутствуют субстраты окисления, однако отсутствует ADP). Величины дыхательного контроля (соотношения скоростей потребления кислорода в состояниях 3 и 4) при использовании в качестве субстрата глутамата и малата для митохондрий, выделенных из сердец контрольной группы и получавших Кудесан, находились в пределах 5-7. После введения изопротеренола эта величина в контрольной группе снижалась до 3,3 ± 0,47, а у получавших Кудесан оставалась на достоверно более высоком уровне 5,4 ± 0,44 (р<0.02). Скорость генерации митохондриями АФК - супероксидных радикалов - измеряли с помощью спиновой ловушки TIRON (4,5-диоксибензол-1,3-дисульфоната натрия). Митохондрии из сердец контрольных животных, получавших изопротеренол, отличались повышенной скоростью генерации АФК (в присутствии антимицина А) - 1,73 ± 0,36 нмоль/мин/мг белка. Эта величина была в 2,6 раза ниже в группе получавших Кудесан - 0,67 ±0,09 нмоль/мин/мг белка (р<0.05).

Заключение. Результаты показали, что длительное потребление Кудесана не повлияло существенно на ультраструктуру миокарда, относительный вес и сократительную функцию изолированного сердца, но предотвращало повреждение структуры и снижение функции, вызванные изопротеренолом. Доза изопротеренола, использованная в данной работе, оказывала умеренное повреждающее действие, выражавшееся в исчезновении гликогена из саркоплазмы, развитии отека и частичном разрушении крист митохондрий, снижении дыхательного контроля и повышенной генерации АФК в них. Эти результаты сочетались со снижением максимальной величины сократительной функции сердца. Указанные изменения, за исключением исчезновения гликогена, отсутствовали в сердцах крыс, потреблявших Кудесан.

Перспективы. Полученные результаты могут послужить основой дальнейшей работы по выяснению изменений структуры и функции сердца при повышенном поступлении убихинона в организм. Как известно, у пожилых особей содержание убихинона в миокарде снижено в 1,5-2 раза, и дополнительное поступление убихинона возможно компенсирует этот дефицит. Изменения митохондрий, выражавшиеся в уплотнении крист и появлении групп тесно контактирующих митохондрий, позволяют предполагать, что такие кардиомиоциты могут обладать повышенной аэробной мощностью. Данное предположение может быть проверено в специальных опытах на другой модели изолированного сердца, а именно - сердца, выполняющего обычную насосную функцию и способного достичь максимальной аэробной мощности. Такая перспектива представляет интерес для геронтологии. Для кардиологии же более значительным представляется вероятное повышение мощности антиоксидантной системы миокарда при повышенном поступлении убихинона в организм. Оба предположения могут быть проверены в опытах на изолированном сердце, одновременно представляется интересным определить содержание митохондриального белка в кардиомиоцитах, и детализировать параметры генерации АФК. Повышенная антиоксидантная мощность миокарда позволит успешно противостоять повреждающему действию многих факторов, действие которых реализуется посредством окислительного стресса.


Весь сайт